压缩机装置以及用于该压缩机装置的冷却器的制作方法

本发明涉及压缩机装置。

更具体地，本发明涉及用于在两个或多个级中对气体进行压缩的压缩机装置，该压缩机装置包括至少两个串行连接的压缩机元件,和用于冷却压缩气体的至少两个冷却器，即：处于每两个相继的压缩机元件之间的中间冷却器，以及在取决于配置要求的情况下，处于最末的压缩机元件下游的后端冷却器，其中，每个冷却器设置有第一部分和第二部分，待被冷却的压缩气体被引导通过所述第一部分，而所述第二部分与所述第一部分换热接触，并且冷却剂被引导通过所述第二部分。

背景技术：

已知的是：在压缩机元件中被压缩的气体经历显著的温升。

对于具有多个级的压缩机装置而言，如在此提及的，压缩气体从压缩机元件供给至后续的压缩机元件。

已知的是：多级压缩机的压缩效率非常取决于该多级压缩机的每个压缩机元件的入口处的温度，并且压缩机元件的入口温度越低，则压缩机的压缩效率越高。

这就是已知的要使用处于两个相继的压缩机元件之间的中间冷却器来确保最大限度的冷却和获得最高可能的压缩效率的原因。

还已知的是：在气体供给至负载网络之前，对最末的压缩机元件之后的压缩气体进行冷却，因为不然的话，由于温度过高，会对网络中的负载造成损害。

对于已知的具有多个级的压缩机装置而言，冷却装置(更具体地，冷却器)通常为最大化压缩效率的目的而调整成进行最大限度的冷却，可用的冷却剂(通常为水)从冷源并行地驱动通过各个冷却器，使得每个冷却器接收处于相同冷温度的用于最大限度冷却的冷却剂。

这样的冷却器的并行供给非常适合于最优的压缩效率，但是其需要相对高的冷却剂流量来向每个冷却器供给充足的冷却剂，这具有以下劣势：就需要的泵送功率和需要的冷却回路和冷却器的尺寸而言，这样的并行供给不是最优的。

另一劣势在于：流动通过冷却器的冷却剂的流量必须保持得相对高以实现最大限度的冷却，使得离开压缩机装置的冷却剂的温度相对低，由此不适于从这样的冷却剂中回收热量(例如，以热水供应等的形式)。

此外，冷却剂的高流量还导致冷却装置的高投资成本、高操作成本和高维护成本。确实，受热的冷却剂必须转而在例如空气—水的热交换器中冷却，该热交换器的尺寸非常取决于冷却剂的流量，并且还将附加物添加到冷却水中，以防止水垢、对抗腐蚀和抑制细菌生长。

为了更好地进行热量回收，可以选择降低被并行地驱动通过各个冷却器的流量，从而提高输出部处的冷却剂的温度，但是这将会以冷却并且因此以压缩效率为代价。

技术实现要素：

本发明的目的是提供前述和其他劣势的解决方案，从找到高压缩效率、热量回收的好的可能性、以及最小化冷却装置的花费的最优组合的角度来看，或者取决于应用，从上述三个目标中两个的最优组合的角度来看，该解决方案较不侧重压缩效率，而更侧重考虑冷却。

为此，本发明涉及用于在两个或多个级中对气体进行压缩的压缩机装置，该压缩机装置包括至少两个串行连接的压缩机元件和用于冷却压缩气体的至少两个冷却器，即：处于每两个相继的压缩机元件之间的中间冷却器，以及在取决于配置要求的情况下，处于最末的压缩机元件下游的后端冷却器，其中，每个冷却器设置有第一部分和第二部分，待被冷却的压缩气体被引导通过所述第一部分，而所述第二部分与所述第一部分换热接触，并且冷却剂被引导通过所述第二部分，其特征在于，至少两个前述的冷却器是“分离式冷却器(split cooler)”，所述分离式冷却器的第二部分分成对在相继的级中被引导通过所述第一部分的气体进行冷却的至少两个独立的级，所述至少两个独立的级分别为至少热级和冷级，所述热级用于对流入到所述冷却器的第一部分中的热的气体进行首先冷却，所述冷级用于对该气体进行进一步冷却，所述冷却器的第二部分的级在一个或多个独立的冷却回路中连接在一起，使得所述压缩机元件之间的压缩气体充分冷却，同时使通过所述冷却回路的冷却剂的流量最小，以将每个冷却器的出口处的经冷却的气体的温度保持在低于最大的允许值，从而在至少一个前述的冷却回路中实现冷却剂的期望温升。

对于根据本发明的压缩机装置，冷却器中的冷却部分成两个级，通过适当的选择冷却剂被驱动通过各个级的顺序，使得在不必要以最好的压缩效率为目标的情况下，确保每个冷却器提供充分的冷却而不造成后续的压缩机元件中的任何问题所需的冷却容量最小，这还导致冷却剂能够实现更高的温度而能够进行更好的能量回收。特别地，所述热级由此确保冷却剂的温度的极大升高，而冷级主要保证待被冷却的气体的最低可能的出口温度。

这样，可以以期望的温升为目标，该温升为至少30℃左右，或者在要求更好的热量回收的情况下，为至少40℃左右，或者更高，例如为50℃左右。

例如，在第一实例中，在具有一定配置的压缩机元件和冷却器的压缩机装置的设计中，冷却器的第二部分的至少两个或多个冷级在冷却剂引导通过的冷却回路中串行连接在一起。

因为至少两个冷级的串行连接，在冷却剂的流量相对有限的情况下，还是可以在相继的冷却器中实现充分的冷却。

可以根据例如压缩机元件的入口处的压缩气体的最高可能温度、考虑例如压缩机元件的良好操作的最高允许温度、例如涡轮压缩机的运转由于“喘振”现象的发生而变得不稳定的温度、或者螺杆压缩机的防止螺杆的覆层损坏的最大出口温度，来对需要的冷却剂流量进行调整。

由此，冷却剂优选地首先被引导通过以下冷却器的冷级：在设计上，该相关的冷却器的出口处的压缩气体的温度最接近于紧随该冷却器的压缩机级的入口处的最大允许温度。

优选地，在第一设计阶段中，冷却器的第二部分的至少两个(优选地，至少三个)热级在冷却剂被引导通过的冷却回路中串行连接在一起，特别地，冷却剂最后被引导通过紧随在设计上具有最高出口温度的压缩机级后的冷却器的热级。

在根据本发明的压缩机元件的最优选的实施例中，冷却器的第二部分的至少两个(优选地，所有)冷级和冷却器的第二部分的至少两个(优选地，所有)热级在冷却剂被引导通过的冷却回路中串行连接在一起，在该冷却回路中，冷却剂首先被引导通过冷级，然后被引导通过热级。

取决于压缩机装置的预定配置，可以选择用两个或多个独立的冷却回路来将冷却器的各个级连接到一起，其中一个冷却回路可以为了最大化热量回收的目的而用来获得冷却剂的最高可能的出口温度，而另一冷却回路可以用来主要确保要在中间冷却器中冷却的气体的足够低的出口温度。

本发明还涉及用于在根据上述权利要求中任一项所述的压缩机装置中使用的冷却器，该冷却器具有模块化的构成，使得该冷却器能够配置为分离式的或者非分离式的冷却器。

优选地，所涉及的是管式冷却器形式的冷却器，该冷却器具有引导冷却剂通过的管束，所述管束附装在具有壳体的腔室中，所述壳体通过端板在管道的端部处使所述管束中断，所述管道伸出所述端板，所述腔室形成引导待被冷却的气体包围和环绕所述管道的通道，所述管束在其端部处由具有分隔部的盖盖住，所述分隔部将所述盖分成隔室，所述隔室盖在所述管道的一个或多个端部之上以引导冷却剂通过这些管道，这些分隔部设置有处于该分隔部与前述的端板之间的密封件，以使所述隔室中的流动彼此分隔开，其中，至少两个隔离分隔部可以设置有可移除的密封件，当存在所述可移除的密封件时，所述至少两个隔离分隔部将所述管束分成用于冷却剂的独立的两个通道，以形成分离式冷却器，并且当不存在所述可移除的密封件时，则这两个通道之间形成相互连通而形成一个连续的通道，以形成非分离式冷却器。

这样，通过简单地安装或移除密封件，根据本发明的冷却器可以从常规的单一式冷却器转化成根据本发明的分离式的双冷却器。

根据一实用的实施例，所述隔离分隔部为直的分隔部，这提供的优势在于：直的分隔部易于实现。

优选地，使用两个相同的盖，每个盖设置有处于前述隔离分隔部的同一侧上的一个输入部和一个输出部，或者设置有处于前述隔离分隔部的两侧上的用于冷却剂的二个输入部和二个输出部。

因此，仅仅需要一种盖来用于针对两种冷却剂的作为分离式冷却器的构造，以及用于针对仅仅一种冷却剂的作为非分离式冷却器的构造，在后者的情形中，一个输入部和一个输出部被塞住。

附图说明

为了更好地示出本发明的特征，下面参考附图以示例性而没有任何限制性的方式描述了根据本发明的压缩机装置和用于所述压缩机装置的冷却器的一些优选的实施例，其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的压缩机装置；

图2和3示出了根据本发明的分离式冷却器的两种变体的图示；

图4示出了如图1那样的图示，但是为具有如图2那样的冷却器的根据本发明的压缩机装置；

图5示出了图4的变体；

图6示出了如在图4中使用的压缩机元件的典型特征曲线；

图7至9示出了根据本发明的压缩机装置的不同变体；

图10示出了根据本发明的如图2那样的冷却器的实用实施例的剖视图；

图11示出了根据图10中线XI—XI的剖视图；

图12示出了由图10中F12指出的盖的透视图；

图13示出了根据图12中箭头F13的视图；

图14示出了图10的冷却器的变化的配置；

图15示出了具有三个连接在一起的根据图10和图14的冷却器的冷却器块的实用实施例。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的具有三个压缩机元件2的常规压缩机装置1，所述三个压缩机元件分别为2a、2b和2c，这三个压缩机元件通过管道3在入口4与出口5之间串行连接在一起。

每个压缩机元件2的下游设置有用于冷却压缩气体的冷却器6，相应地，所述冷却器为处于压缩机元件2a和2b之间的“中间冷却器”6a、处于压缩机元件2b和2c之间的中间冷却器6b、以及处于最末的压缩机元件2c之后的“后端冷却器”6c。

中间冷却器6a和6b由此是要在来自前面的压缩机元件2的压缩气体被后续的压缩机元件2吸入之前将所述压缩气体的温度冷却至最大限度，这是要确保压缩机中的压缩效率是最优的。

后端冷却器6c确保在压缩气体经由出口5离开根据本发明的压缩机装置1之前对所述压缩气体进行冷却，这是要防止对连接的负载的损害。

每个冷却器6设置有第一部分7和第二部分8，待被冷却的压缩气体引导通过该第一部分(如箭头A所示)，该第二部分与第一部分7换热接触，并且冷却剂以相反的方向引导通过该第二部分(如箭头B所示)。

压缩机装置1设置有具有输入部10和输出部11的单个冷却回路9。

对于图1的常规压缩机装置，被引导通过冷却回路9的冷却剂并行地通过冷却器6的第二部分8，因此冷却剂供给分配给三个冷却器6，每个冷却器6因此接收到具有相同的输入温度的冷却剂。

冷却回路9计算成在每个中间冷却器6a和6b中进行最大限度的冷却的情况下实现最大的压缩效率。对于常规的压缩机装置，通常一个或多个热交换部件(例如，油冷却器，或者至马达的冷却回路的连接)连接至冷却回路。通常它们分享的冷却回路的总热交换容量是相对小的。

这样的装置的劣势在于：最大限度的冷却还需要冷却剂的高可用的流量，因此关联到了冷却回路9的高的投资成本、操作成本和维护成本。

另一特征在于：冷却剂在输出部11处的温度是相对低的，因此其难以用于其它应用或者从其中回收能量。

根据本发明的冷却回路与上述的并行连接不同，而是利用了如图2和图3中所示的“分离式冷却器”12。

根据图2的分离式冷却器12包括第一部分13和第二部分16，该第一部分与常规的冷却器6一样，具有压缩气体的输入部14和输出部15，而该第二部分在此实例中与常规的冷却器6不同，其分成了两个独立的级16′和16″，每一级具有独立的输入部17和输出部18，以使冷却剂以与压缩气体相反的方向(以箭头C′和C″的方向)驱动通过各个级。

这样，冷却剂对压缩气体的冷却分成了两个相继的级16′和16″，即：用于对经由输入部14流入到第一部分13中的热的气体进行首先冷却的热级16′，以及对该气体进行进一步冷却的冷级16″，该进一步冷却发生在该经进一步冷却的气体经由输出部15离开第一部分13之前。

分离式冷却器12的一替代在图3中示出，在此实例中，该冷却器12分成两个子冷却器12′和12″，在此实例中，第一部分13也分成两个级13′和13″，该两个级串行连接在一起以形成一个连续的第一部分。

根据本发明的在图4中示出的压缩机装置19与图1的常规装置1的不同在于：单一式冷却器16被如2那样的分离式冷却器12替代，其中，第二部分16′和16″包含进一个单一的冷却回路20中，该冷却回路具有冷却剂的输入部21和输出部22。

冷却回路20设计成使冷却剂以一定的顺序串行地相继通过冷却器12的第二部分16的所有级16′和16″，该顺序根据压缩机装置19的配置和预定目的而变。

在图4的实例中，冷却剂以相对于气体流动的相同顺序首先引导通过冷却器12的冷级16″，换句话说，冷却剂首先驱动通过中间冷却器12a，然后依次通过第二中间冷却器12b和后端冷却器12c。

然后，接下来引导冷却剂相继通过各个热级16″，此时顺序与气体流动通过冷却器12的顺序相反，因此，冷却剂首先通过后端冷却器12c，然后通过第二中间冷却器12b，然后通过第一中间冷却器12a。

这样，确保了所有的冷却器12进行充分冷却以将每个冷却器12的输出部15处的经冷却的气体的温度保持在低于允许的最大值，该允许的最大值考虑了最小控制裕量，以及考虑了在超过该最大温度的情况下发生损坏结果(例如，对于压缩机装置19的下游部分)的可能性，而不必要考虑优化压缩机装置19的压缩效率。

换句话说，允许使被压缩机元件2b和2c吸入的气体的温度高于这些压缩机元件2b和2c在最优效率下所需要的温度。

这使得要提供的冷却剂流量能够低于如图1那样的常规压缩机装置1的情形中的冷却剂流量，这有利于降低冷却回路20的成本和复杂性。

此外，这样还可以在冷却回路20的输入部21和输出部22之间实现冷却剂的更高的温升。由此，与常规的压缩机装置1的情形相比，可以更有效地回收热量。

例如在设计上可以使冷却回路成一定的尺寸，以获得冷却剂的期望温升，该温升为30℃左右，更好地为至少40℃左右，或者优选地大于50℃，其取决于用户的期望，例如为了能够利用热的冷却水。

优选地，冷却剂首先引导通过在设计上需要最低入口温度的压缩机元件2之前的冷却器12的冷级16″。在图4的示例中，为第二压缩机元件2b和其前面的中间冷却器12a。

该用于确定冷却剂驱动通过冷却器12的顺序的标准也应用于两个级的每种组合。这意味着在图4的实例中，冷却剂然后被引导通过具有第二低的期望入口温度等的压缩机元件2c之前的冷却器12b的级16″。

在通过冷级16″之后，然后优选地，冷却剂最后被引导通过紧随在设计上具有最高出口温度的压缩机元件2的冷却器12的热级16′。在图4的示例的情形中，为冷却器12a和压缩机元件2a。

作为这样选择的结果，在冷却回路20的输出部22处获得了最高的温度。

图5示出了根据本发明的压缩机装置19的另一配置，在此实例中，在设计上压缩机元件2c需要最低的入口温度，并且第二压缩机元件2b具有比第一压缩机元件2a高的出口温度，因此，为与图4相反的情况。

利用用于图4的相同标准来确定冷却剂串行地引导通过级16′和16″的顺序，在图5的实例中，所选择的顺序关于冷却器12a和12b是颠倒的。

因此，在设计阶段中，取决于各个压缩机元件2的不同的出口温度和期望的入口温度，可以选择其他的串行连接顺序。不用说，如果期望的入口温度和/或出口温度是相当的，则可以自由地选择冷却水流动通过两个冷却器12的顺序。

可用于确定级16′和16″串行连接在一起的顺序另一标准是基于压缩机元件2发生泵吸(pump)的风险，泵吸可将其本身表现为在涡轮压缩机中当入口处的气体温度超过一定阈值时所发生的现象，其中，气流会振荡甚至回流，并且伴随着严重的振动和压缩机元件2中损坏和增加的温升的风险。

在涡轮压缩机的特征曲线(图6中示出了其示例)上，该现象表示为“喘振线”23，对于给定的入口压力和跨压缩机元件2的压缩比，该喘振线确定了作为通过压缩机元件的流量的函数的最大允许入口温度tmax。

在对应于一定的流量QA的一定气体流量下，在设计上，在温度tA(其为处于紧邻上游的冷却器12的出口处的温度)下将获得一定的操作点A。

操作点A与喘振线23之间的距离越小，则发生有害的泵吸效应的风险越高。

在此实例中，可以利用这样的标准来首先引导冷却剂通过以下冷却器12的冷级16″：在设计上，该相关的冷却器12的出口15处的压缩气体的温度最接近于紧随其后的压缩机级2的入口处的最大允许喘振温度，或者换句话说，使冷却剂首先通过具有最大的喘振风险的压缩机元件2之前的冷却器12的冷级16″。

若如上设置的串行连接结果不足以在两个压缩机元件2之间进行充分冷却，或者若冷却后或若沿冷却水侧的压降太大，如果需要，可以选择将两个或多个冷级16″并行连接在一起以及将两个或多个热级16′并行连接在一起，如图7的示例的情形，冷却剂在通过其余串行的冷级16″之前，首先被并行地驱动通过一个单一的冷却回路20中的至少两个冷级16″。类似地，针对压降的原因，可以选择将冷却水并行地驱动通过至少两个热级16′，并且串行地通过其余热级16′。

当最小化冷却回路的成本变得较不重要时，也可以选择在设计上选取两个独立的冷却回路20′和20″(如图8中所示)，所述冷却回路具有相同的冷却剂或者不同的冷却剂，其中，冷却回路20″中的至少两个冷级16″串行连接在一起，或者全部或部分地并行连接在一起，并且冷却回路20′中的至少两个热级16′串行连接在一起，或者全部或部分地并行连接在一起，串行连接的顺序可以通过利用与图4的实例中相同的标准来确定。此处也可以选择驱动冷却水并行地通过至少两个冷级16″，并且串行地通过其余冷级16″。热级16′同样如此。

这样，为了获得最高可能的压缩效率和压缩机的最宽可能的操作范围的目的，可以对冷却回路20″进行有关充分冷却的优化，并且为了例如最大化热量回收的目的，可以将冷却回路20′设置成获得冷却剂的最高可能的温升。

因为后端冷却器12c通常没有对压缩机装置19的效率作出贡献，所以替代地可选择一独立的冷却回路20″，在该冷却回路中，压缩机级2的上游的中间冷却器的串行的或者完全或部分并行的冷级16″设置有第一冷却剂，而后端冷却器的其余的级16′和16″及中间冷却器的热级16′串行地连接在一起，或者完全或部分并行地连接在一起，使得该冷却回路20″的冷却水最后流动通过处于具有最高出口温度的压缩机级下游的冷却器的热级(参考图9)。

显然，在图9的示例中，后端冷却器12c也可以被常规的单一式冷却器6替代，图4、5和7的后端冷却器12c的情况也可以这样处理。

图10示出了冷却器24的实用实施例，该冷却器具有模块化的构成，使得该冷却器能够可选地配置为分离式冷却器12或者为非分离的单一式冷却器6。

在此实例中，冷却器24构造为具有管束25的管式冷却器，该管束具有一系列管道26，以使冷却剂引导通过所述管束而形成冷却器24的所述第二部分，该管束25附装在具有壳体27的腔室中，所述壳体在管道26的端部处由端板28封闭，管道26通过其端部伸出所述端板。

壳体27设置有待被冷却的气体的输入部14和输出部15，所述腔室形成引导气体包围和环绕管道26的通道，以形成冷却器24的第一部分13。

管道26分组成两个子管束25′和25″，如可在图11的剖视图中看到的那样，所述子管束互相间隔距离L。

管束25在其端部处分别由盖29、30盖住，在此实例中，这些盖是相同的，并且设置有分隔部31，所述分隔部将盖29和30分成隔室32，所述隔室盖在管道26的一个或多个端部之上，以引导冷却剂通过这些管道26。

在图10中示出的示例中，这些分隔部31是直的、平行的分隔部，其设置有基座33，密封件34可以附装在该基座中而处于相关的分隔部31和前述的端板28之间，以使隔室32中的流动彼此分隔开。

在图10的配置中，密封件34设置在所有的分隔部31中，两个分隔部31在每个盖29和30中形成隔离分隔部31′，每个盖29和30中的该隔离分隔部31′形成子管束25′和25″之间的分隔，在此实例中，密封件34附装在这样的隔离分隔部31′与端板28的中心部分35(其处于子管束25′和25″之间)之间。

在图10中示出的示例中，盖29和30分别设置有冷却剂的输入部17′、输出部18′和输入部17″、输出部18″，每个盖的该输入部和输出部均位于前述的隔离分隔部31′的同一侧。

在图10的配置中，对盖29和30进行附装，使得一个盖29的输入部17′和输出部18′相对于一个子管束25′设置，以引导冷却剂通过这些子管束25′中的一个(如箭头C′所示)，而另一盖30的输入部17″和输出部18″相对于另一个子管束25″设置，以引导相同的或不同的冷却剂通过该另一个子管束25″(如箭头C″所示)。

两个通道由隔离分隔部31′相互分隔开，使得在图10的配置中，冷却器24实际上形成了分离式的冷却器12，该冷却器具有一个第一部分和一第二部分，该第一部分具有用于待被冷却的气体的输入部14和输出部15，为了能够在两个级中对该第一部分中的气体进行冷却的目的，该第二部分具有两个独立的通道，该两个独立的通道分别具有冷却剂的输入部17′、输出部18′和输入部17″、输出部18″。

优选地，顶部子管束25′形成与从压缩机元件2供给的热的气体相接触的热级16′，而底部子管束25″形成与已经在热级16′中被部分冷却的较冷的气体相接触的冷级16′。

图14示出了与图11相同的冷却器，但是处在单一的非分离式配置中。

为此，省略了隔离分隔部31′中的密封件34，并且利用塞36或类似物封闭输入部17′和输出部18″，使得仅仅只有一个输入部17″和一个输出部18′引导一种单一的冷却剂通过子管束25′和25″二者(如箭头C所示)。

由此，显然的是：在隔离分隔部31′的位置处，因为在这些分隔部31′中缺少密封件34，所以底部子管束25″中的冷却剂通道与顶部子管束25′中的冷却剂通道之间存在内部连通，使得在输入部17″与输出部18′之间形成一个连续的通道而没有外部的相互连通。

替代地，当然也可以从图10的分离式配置开始，将密封件34留在隔离分隔部31′的位置处，而在外部将输出部18″连接至输入部17′，以将图10的冷却器24转换成非分离式冷却器。

此外，使用两个相同的盖29和30不是绝对必需的，例如一个盖29可以设置有所有必要的输入部和输出部，而另一个盖30则是完全封闭的。

另一种可能是：盖29或30中的一个设置有两个输入部，而另一个则设置有两个输出部，例如利用具有六排管道的冷却器。

本发明的装置也可以在没有分隔密封件34的情况下运转，而是使分隔部31、31′紧密配合到端板28上。通过将隔离分隔部31′完全或部分地机加工掉，则再次获得单一的非分离式配置。

图15示出了具有例如两个中间冷却器12a和12b和一个后端冷却器6c的冷却器块可以如何以简单的方式用一种冷却器实现，其中，中间冷却器12a和12b配置为分离式冷却器，并且后端冷却器6c配置为非分离式冷却器，冷却剂以一定的顺序首先串行地被引导通过冷部16″，然后串行地被驱动通过热部16′，该顺序可以例如根据上述的标准来确定。

显然，不排除提供具有超过两个级的冷却器。

还显然的是：可以设置更多或更少的分隔部31，以使冷却剂通过管道26的次数更多或更少。

此外，分隔部并不必须是直的。

本发明绝不限于作为示例描述和在附图中示出的实施例，但是在不会背离本发明的范围的情况下，根据本发明的压缩机装置和用于所述压缩机装置的冷却器能够以不同的变体来实现。